JP4409872B2

JP4409872B2 - High strength and high electrical conductivity aluminum alloy matrix composite and its manufacturing method

Info

Publication number: JP4409872B2
Application number: JP2003203463A
Authority: JP
Inventors: トロンロンタン; 淳志木本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: JP2005048206A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送電線、リード線等の導電体やラジエータ、コンデンサ、エバポレータ等の熱交換器に使用される高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、送電線、リード線などを構成するアルミニウム合金などの導電材料や熱交換器に使用される材料は、高い電気伝導率や高い熱伝導率が要求されている。また、最近、地球環境保護などの観点から、送電線、リード線、熱交換器などは、軽量化および小型化が要求される方向にあり、送電線、リード線の微細化、熱交換器に使用される材料の薄肉化が推進される一方で、高強度も強く要求されている。
【０００３】
従来、高強度、高電気伝導度アルミニウム合金として、Ａｌ−Ｍｎ合金、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ合金が用いられている。しかし、このような合金では、Ｍｎの固溶度が高くなると電気伝導率が著しく低下するとともに、熱伝導性が悪化する。また、Ｍｎを含まないＡｌ−Ｆｅ合金やＡｌ−Ｆｅ−Ｎｉ合金が提案されているが、強度不足のため、十分に薄肉化できないことがあった。
【０００４】
そこで、Ａｌ−Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｒ合金のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒの含有量を制限し、アルミニウム合金中の第２相粒子の密度を５×１０^６個／ｍｍ^２に規定することにより、高強度および高熱伝導率を図ったアルミニウム合金が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２８８５２２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ａｌ−Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｒ合金のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒの含有量を制限し、アルミニウム合金中の第２相粒子の密度を５×１０^６個／ｍｍ^２に規定する合金法で製造されたアルミニウム合金においては、例えば、電気伝導率５２％ＩＡＣＳで、引張強度が１３３ＭＰａ程度であった。この結果から従来のアルミニウム合金では、強度が低く、要求される強度を得るためには、所定の肉厚が必要になり、十分な薄肉化を図ることは困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高強度および高電気伝導率を兼備した高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料およびその製造方法を提供すること目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料は、Ｆｅを０．０１〜０．５重量％およびＳｉを０．０１〜０．５重量％含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物のアルミニウム合金マトリックス中に、直径が１ｎｍ〜１００ｎｍで、アスペクト比が１０〜１００の単層または多層の構成を有するカーボンナノチューブが０．１〜１０体積％含有されていることを特徴とする。
【０００９】
カーボンナノチューブの直径Ｄは、カーボンナノチューブの外径を意味する。また、アスペクト比は、カーボンナノチューブの軸方向の長さＬをカーボンナノチューブの直径Ｄで除したもの（Ｌ／Ｄ）である。なお、ここで用いるアスペクト比の範囲は、アスペクト比の平均値がその範囲にあることを示している。
【００１０】
また、アルミニウム合金マトリックスは、Ｆｅを０．５重量％以下およびＳｉを０．５重量％以下含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物で構成することで、鉄（Ｆｅ）、珪素（Ｓｉ）およびその他の不純物の含有量が極力制限されているので、電気伝導率の低下を回避することができる。
【００１１】
さらに、カーボンナノチューブの表面は、金属材料またはセラミックス材料で被覆されていることを特徴とする。
【００１２】
カーボンナノチューブの表面を被覆する被覆材料の物理的特性は、導電性または半導電性であり、アルミニウム合金と界面反応を生じるものであることが好ましい。また、被覆材料として絶縁材料も使用することができる。
【００１３】
被覆材料は、カーボンナノチューブの表面に、化学的方法または物理的方法によって、被覆または結合される。化学的方法としては、例えば、化学的気相成長（ＣＶＤ）などが、物理的方法としては、例えば、スパッタリング法、熱蒸発法などが利用される。
【００１４】
本発明の高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料の製造方法は、アルミニウム合金マトリックスとなる、Ｆｅを０．０１〜０．５重量％およびＳｉを０．０１〜０．５重量％含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物のアルミニウム合金粉末と、直径が１ｎｍ〜１００ｎｍで、アスペクト比が１０〜１００の単層または多層の構成を有するカーボンナノチューブとを、前記カーボンナノチューブの含有率が０．１〜１０体積％となるように配合し、均一に混合する混合工程と、前記アルミニウム合金粉末とカーボンナノチューブとの混合物を加圧後加熱して、または同時に加圧および加熱して複合化する複合化工程とを具備することを特徴とする。このように、高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料は、粉末冶金的方法によって製造することができる。
【００１５】
また、本発明の高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料の製造方法は、直径が１ｎｍ〜１００ｎｍで、アスペクト比が１０〜１００の単層または多層の構成を有するカーボンナノチューブの表面を金属またはセラミックスで被覆する被覆工程と、アルミニウム合金マトリックスとなる、Ｆｅを０．０１〜０．５重量％およびＳｉを０．０１〜０．５重量％含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物のアルミニウム合金粉末を加熱して半溶融状態にする半溶融工程と、前記半溶融状態のアルミニウム合金を連続的に攪拌しながら、前記被覆されたカーボンナノチューブを、該カーボンナノチューブの含有率が０．１〜１０体積％となるように添加して複合化する複合化工程とを具備することを特徴とする。このように、高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料は、半溶融攪拌凝固的方法によって製造することができる。
【００１６】
さらに、本発明の高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料の製造方法は、直径が１ｎｍ〜１００ｎｍで、アスペクト比が１０〜１００の単層または多層の構成を有するカーボンナノチューブの表面を金属またはセラミックスで被覆する被覆工程と、所定量の前記被覆されたカーボンナノチューブを加圧して、無数の連通孔を有する多孔質体からなる予備成形体を形成する予備成形体形成工程と、前記予備成形体に、溶融した、Ｆｅを０．０１〜０．５重量％およびＳｉを０．０１〜０．５重量％含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物のアルミニウム合金を含浸させ、カーボンナノチューブの含有率が０．１〜１０体積％となるように複合化する複合化工程とを具備することを特徴とする。このように、高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料は、溶湯加圧含侵的方法によって製造することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施の形態のアルミニウム合金基複合材料を模式的に示す断面図である。
【００１９】
同図において、本発明のアルミニウム合金基複合材料のアルミニウム合金マトリックス１中には、炭素とは異なる材料で、金属またはセラミックスの材料で構成される被覆材料２で被覆されたカーボンナノチューブ３が均一に分散されている。
【００２０】
アルミニウム合金マトリックス１中にカーボンナノチューブ３を含有させることで、超微細分散強化により、少ないカーボンナノチューブ３の含有量で電気伝導率を大きく低下させることなく、強度を飛躍的に向上させることができる。なお、アルミニウム合金マトリックス１中に含有されるのは、カーボンナノチューブ３に限らず、フラーレン、カーボンナノホーンなどでもよい。また、これらのカーボンナノチューブ３、フラーレン、カーボンナノホーンが混在して含有されてもよい。
【００２１】
カーボンナノチューブ３の大きさは、直径が１ｎｍ〜１００ｎｍで、アスペクト比が１０〜１００の範囲で複合材料の要求特性に応じて適宜に設定されるものである。直径が１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲のカーボンナノチューブ３を用いることで、カーボンナノチューブ３をアルミニウム合金マトリックス１中に均一に分散することができる。カーボンナノチューブ３の直径が、１ｎｍ未満および１００ｎｍを越えるものは製造が難しい。また、カーボンナノチューブ３のアスベクト比が１０未満では十分な強化効果を発揮できず、アスベクト比が１００を越えると歩留が低下し、不経済的である。カーボンナノチューブ３の大きさのより好ましい範囲は、直径が１０ｎｍ〜２０ｎｍ、アスペクト比が１０〜２０である。また、工業的に製造された直径が数百ｎｍのカーボンナノチューブ３も適用することができる。
【００２２】
アルミニウム合金マトリクス１中に均一に分散されるカーボンナノチューブ３の含有率は、１〜１０体積％の範囲において、目標の電気伝導率と強度によって、適宜に選定される。カーボンナノチューブ３の含有率が０．１体積％未満では十分な強化効果を発揮できず、含有率が１０体積％を越えてもそれ以上の強化効果が得られず、材料コストが高くなる。
【００２３】
また、アルミニウム合金マトリックス１に含有される鉄は、０．０１〜０．５重量％である。また、アルミニウム合金マトリックス１に含有される珪素は、０．０１〜０．５重量％である。
【００２４】
このアルミニウム合金基複合材料は、例えば次のようにして製造される。
まず、カーボンナノチューブ３を被覆する被覆材料２を選択し、カーボンナノチューブ３の表面にスパッタリング法または電子ビーム蒸着法によって、選択された被覆材料２の蒸着膜を形成する。カーボンナノチューブ３の表面を被覆している被覆材料２としては、アルミニウムおよびアルミニウム合金中に含有するＦｅ、Ｓｉ、その他の不純物元素との濡れ性、化学反応の度合を考慮して、金属材料では、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏなど、セラミックス材料では、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＴｉＣなどが適している。
【００２５】
ここで、カーボンナノチューブ３が超微細なため、カーボンナノチューブ３の表面が絶縁材料で被覆されてもよく、これによって複合材料の電気伝導率が大きく低下することはない。なお、被覆材料２としてＡｌ_２Ｏ_３などの絶縁材料を用いる場合には、含有されるカーボンナノチューブは５体積％以下が好ましく、より好ましくは３体積％以下である。
【００２６】
また、カーボンナノチューブ３の表面に形成される被覆材料２の厚みは、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で複合材料の要求特性に応じて適宜に設定されるものである。被覆材料２の厚みは、１ｎｍ未満では製造が難しく、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で十分な反応防止効果が発揮されるので１００ｎｍより厚い皮膜を形成しても材料および生産コストを高くするだけで不経済的である。被覆材料２の厚みのより好ましい範囲は、１０ｎｍ〜５０ｎｍである。
【００２７】
このようにして得られた被覆材料２が被覆されたカーボンナノチューブ３と、アルミニウム合金マトリックス１になるアルミニウム合金粉末とを所定の比率で混合し、さらに、アルミニウム合金粉末にカーボンナノチューブ３が均一に分散するように、例えば、攪拌などによって混合する。そして、その混合物を金型に充填し、加圧および加熱してカーボンナノチューブ３とアルミニウム合金粉末とを一体に融着させて、図１に示す複合材料が得られる。
【００２８】
また、アルミニウム合金マトリックスとなるアルミニウム合金粉末を加熱して半溶融状態にし、その半溶融状態のアルミニウム合金を連続的に攪拌しながら、金属またはセラミックスの材料で構成される被覆材料２が被覆されたカーボンナノチューブ３を所定量添加して複合化させることによっても、図１に示す複合材料を得ることができる。
【００２９】
さらに、金属またはセラミックスの材料で構成される被覆材料２が被覆されたカーボンナノチューブ３を所定の形状に加圧成形して多孔質成形体を構成し、この多孔質成形体にアルミニウム合金マトリックス１となるアルミニウム合金を溶融して含浸させることによっても、図１に示す複合材料を得ることができる。
【００３０】
カーボンナノチューブ３の表面は、被覆材料２によって被覆されることが好ましいが、例えば、粉末冶金的方法を用いて複合材料を形成する場合には、カーボンナノチューブ３の表面を被覆材料２によって被覆せずに複合材料を構成することもできる。
【００３１】
ここで、カーボンナノチューブ３は、高温、例えば、アルミニウムの融点でＡｌと界面反応を起し、カーボンナノチューブ３の形状が崩壊され、超微細分散強化の効果を十分に発揮できない場合がある。しかし、本発明では、例えば、融点に達したアルミニウムを使用するときでも、予めカーボンナノチューブ３の表面に金属またはセラミックスの材料によって被膜が形成されているため、カーボンナノチューブ３の形状が崩壊されることはない。また、カーボンナノチューブ３の表面に被膜が形成されていない場合でも、アルミニウムの融点よりも低い温度で複合材料を形成する、例えば、粉末冶金的方法などを用いれば、カーボンナノチューブ３の形状が崩壊されることはない。
【００３２】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００３３】
（実施例１）
直径が約１ｎｍ、アスペクト比が約２０のカーボンナノチューブの表面にスパッタリング法により厚さ約２０ｎｍの銀（Ａｇ）蒸着膜を形成した。次に、表１に示すように、鉄（Ｆｅ）を０．２５重量％、珪素（Ｓｉ）を０．２５重量％、銅（Ｃｕ）を０．０５重量％およびマンガン（Ｍｎ）を０．０５重量％含有する平均直径１００ｎｍのアルミニウム合金粉末に銀蒸着したカーボンナノチューブを、カーボンナノチューブの含有率が３体積％になるように混合した。そして、アルミニウム合金粉末に均一にカーボンナノチューブが分散するように、その混合粉末を攪拌した。
【００３４】
続いて、その混合粉末を金型に充填して、圧力５００ＭＰａ、温度７２３Ｋで、１時間加圧加熱し、厚さ３０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍのインゴットを成形した。次に、成形したインゴットを厚さ１０ｍｍまで圧延し、図１に示すような、アルミニウム合金と表面に銀蒸着膜を形成するカーボンナノチューブとの複合材料を得た。
【００３５】
得られた複合材料の引張強度と電気伝導率を測定した結果、引張強度は２００ＭＰａ、電気伝導率は６０％ＩＡＣＳであった。このようにして、高強度および高電気伝導率を兼備したアルミニウム合金基複合材料を得ることができた。
【００３６】
【表１】

【００３７】
（実施例２）
直径が約１ｎｍ、アスペクト比が約２０のカーボンナノチューブの表面にスパッタリング法により厚さ約２０ｎｍの銀蒸着膜を形成した。次に、表１に示すように、鉄を０．２５重量％、珪素を０．３０重量％、銅を０．０５重量％およびマンガンを０．０５重量％含有する平均直径１００ｎｍのアルミニウム合金粉末に、銀蒸着したカーボンナノチューブを、カーボンナノチューブの含有率が１０体積％になるように混合した。そして、アルミニウム合金粉末に均一にカーボンナノチューブが分散するように、その混合粉末を攪拌した。
【００３８】
続いて、その混合粉末を金型に充填して、圧力５００ＭＰａ、温度７２３Ｋで、１時間加圧加熱し、厚さ３０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍのインゴットを成形した。次に、成形したインゴットを厚さ１０ｍｍまで圧延し、図１に示すような、アルミニウム合金と表面に銀蒸着膜を形成するカーボンナノチューブとの複合材料を得た。
【００３９】
得られた複合材料の引張強度と電気伝導率を測定した結果、引張強度は２７５ＭＰａ、電気伝導率は５６％ＩＡＣＳであった。このようにして、電気伝導率を大きく低下させずに強度を著しく向上させることができる。
【００４０】
（実施例３）
直径が約１ｎｍ、アスペクト比が約２０のカーボンナノチューブの表面に電子ビーム蒸着法により厚さ約５０ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）蒸着膜を形成した。次に、窒化アルミニウムを蒸着したカーボンナノチューブを金型内に均一に分散させて充填し、圧力約５０ＭＰａで圧縮成形し、カーボンナノチューブの含有率が１０体積％の予備成形体を作成した。
【００４１】
続いて、表１に示す鉄を０．５０重量％、珪素を０．５０重量％、銅を０．０５重量％およびマンガンを０．０５重量％含有するアルミミウム合金を９７３Ｋに加熱し、溶融したアルミニウム合金を予め予備成形体を挿入した金型に注入し、圧力約５０ＭＰａで厚さ３０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍのインゴットを成形した。次に、成形したインゴットを厚さ１０ｍｍまで圧延し、図１に示すような、アルミニウム合金と表面に窒化アルミニウム蒸着膜を形成するカーボンナノチューブとの複合材料を得た。
【００４２】
得られた複合材料の引張強度と電気伝導率を測定した結果、引張強度は２６０ＭＰａ、電気伝導率は５２％ＩＡＣＳであった。このようにして、電気伝導率を大きく低下させずに強度を著しく向上させることができる。
【００４３】
（比較例１）
比較例１では、表１に示すように、鉄を０．２５重量％、珪素を０．３０重量％、銅を０．０５重量％およびマンガンを０．０５重量％含有する平均直径１００ｎｍのアルミニウム合金粉末を金型に充填して、圧力５００ＭＰａ、温度７２３Ｋで、１時間加圧加熱し、厚さ３０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍのインゴットを成形した。次に、成形したインゴットを厚さ１０ｍｍまで圧延し、アルミニウム合金を得た。つまり、このアルミニウム合金は、実施例２においてカーボンナノチューブを含有せずに形成されたものに対応する。
【００４４】
得られたアルミニウム合金の引張強度と電気伝導率を測定した結果、電気伝導率は６２％ＩＡＣＳを確保できたが、引張強度は１２０ＭＰａと低い。なお、実施例２における複合材料の引張強度は、このアルミニウム合金の引張強度の２倍以上となっている。
【００４５】
（比較例２）
比較例２では、表１に示すように、鉄を０．２５重量％、珪素を０．２５重量％、銅を０．０５重量％およびマンガンを０．０５重量％含有する平均直径１００ｎｍのアルミニウム合金粉末に、平均粒径１０μｍの炭化珪素（ＳｉＣ）粒子を、炭化珪素粒子の含有率が２０体積％になるように混合した。そして、アルミニウム合金粉末に均一に炭化珪素粒子が分散するように、その混合粉末を攪拌した。
【００４６】
続いて、その混合粉末を金型に充填し、圧力５００ＭＰａ、温度７２３Ｋで、１時間加圧加熱し、厚さ３０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍのインゴットを成形した。次に、成形したインゴットを厚さ１０ｍｍまで圧延し、アルミニウム合金と炭化珪素粒子との複合材料を得た。
【００４７】
得られたアルミニウム合金の引張強度と電気伝導率を測定した結果、引張強度は１３５ＭＰａ、電気伝導率は４９％ＩＡＣＳであった。このように、平均粒径１０μｍでは、十分な分散強化を発揮することができず、炭化珪素粒子の含有率の増加に伴い電気伝導率は低下する。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料およびその製造方法によれば、アルミニウム合金マトリックスにカーボンナノチューブを含有することによって、超微細強化効果により、高強度および高電気伝導率を兼備したアルミニウム合金基複合材料を得ることができる。また、本発明の高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料を送電線、リード線、熱交換器に用いることによって、高い電気伝導率や高い熱伝導率を維持して、材料の薄肉化による軽量化および小型化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のアルミニウム合金基複合材料を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１…アルミニウム合金マトリックス
２…被覆材料
３…カーボンナノチューブ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-strength, high-electrical conductivity aluminum alloy-based composite material used for a heat exchanger such as a conductor such as a power transmission line and a lead wire, a radiator, a capacitor, and an evaporator, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In general, a high electrical conductivity and a high thermal conductivity are required for a conductive material such as an aluminum alloy that constitutes a power transmission line, a lead wire, and the like and a material used for a heat exchanger. Recently, from the viewpoint of protecting the global environment, power transmission lines, lead wires, heat exchangers, etc. are in the direction of being required to be lighter and smaller. While the use of thinner materials is promoted, high strength is also strongly required.
[0003]
Conventionally, Al—Mn alloys and Al—Mn—Si alloys have been used as aluminum alloys having high strength and high electrical conductivity. However, in such an alloy, when the solid solubility of Mn is increased, the electrical conductivity is remarkably lowered and the thermal conductivity is deteriorated. In addition, Al-Fe alloys and Al-Fe-Ni alloys that do not contain Mn have been proposed, but due to insufficient strength, the thickness may not be sufficiently reduced.
[0004]
Therefore, the content of Fe, Ni, Cu, Zr in the Al—Fe—Ni—Cu—Zr alloy is limited, and the density of the second phase particles in the aluminum alloy is regulated to 5 × 10 ⁶ particles / mm ^2. Discloses an aluminum alloy having high strength and high thermal conductivity (see, for example, Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-2001-288522 [0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, an alloy that limits the content of Fe, Ni, Cu, and Zr in the Al—Fe—Ni—Cu—Zr alloy and regulates the density of the second phase particles in the aluminum alloy to 5 × 10 ⁶ particles / mm ^2. In the aluminum alloy manufactured by the method, for example, the electrical conductivity was 52% IACS and the tensile strength was about 133 MPa. From this result, the conventional aluminum alloy has a problem that the strength is low and a predetermined thickness is required to obtain the required strength, and it is difficult to reduce the thickness sufficiently.
[0007]
Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and has an object to provide a high-strength, high-electricity-conductivity aluminum alloy-based composite material that combines high-strength and high-electrical conductivity, and a method for producing the same. To do.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the high-strength and high-conductivity aluminum alloy-based composite material of the present invention contains 0.01 to 0.5% by weight of Fe and 0.01 to 0.5% by weight of Si, In the aluminum alloy matrix with the balance being Al and inevitable impurities, 0.1 to 10% by volume of carbon nanotubes having a diameter of 1 nm to 100 nm and an aspect ratio of 10 to 100 having a single-wall or multi-layer structure is contained. It is characterized by that.
[0009]
The diameter D of the carbon nanotube means the outer diameter of the carbon nanotube. The aspect ratio is a value obtained by dividing the length L in the axial direction of the carbon nanotube by the diameter D of the carbon nanotube (L / D). The aspect ratio range used here indicates that the average value of the aspect ratio is within that range.
[0010]
Further, the aluminum alloy matrix contains Fe of 0.5 wt% or less and Si of 0.5 wt% or less, and the balance is composed of Al and inevitable impurities, so that iron (Fe), silicon (Si) and Since the content of other impurities is limited as much as possible, a decrease in electrical conductivity can be avoided.
[0011]
Furthermore, the surface of the carbon nanotube is covered with a metal material or a ceramic material.
[0012]
The physical properties of the coating material covering the surface of the carbon nanotubes are preferably conductive or semiconductive and cause an interfacial reaction with the aluminum alloy. An insulating material can also be used as the coating material.
[0013]
The coating material is coated or bonded to the surface of the carbon nanotubes by chemical or physical methods. As the chemical method, for example, chemical vapor deposition (CVD) or the like is used, and as the physical method, for example, a sputtering method or a thermal evaporation method is used.
[0014]
The method for producing a high-strength, high-electrical conductivity aluminum alloy matrix composite of the present invention contains 0.01 to 0.5 wt% Fe and 0.01 to 0.5 wt% Si, which is an aluminum alloy matrix. The balance of Al and unavoidable impurities is an aluminum alloy powder, and the carbon nanotubes having a diameter of 1 nm to 100 nm and an aspect ratio of 10 to 100 having a single-walled or multi- walled structure have a carbon nanotube content of 0. A compounding process in which 1 to 10% by volume is blended and uniformly mixed , and the mixture of the aluminum alloy powder and the carbon nanotube is heated after pressing, or simultaneously pressed and heated to form a composite. And a crystallization process. Thus, a high strength and high electrical conductivity aluminum alloy matrix composite can be produced by a powder metallurgical method.
[0015]
The method for producing a high-strength, high-electricity-conductivity aluminum alloy-based composite material of the present invention is a method in which the surface of a carbon nanotube having a single-wall or multi-layer structure having a diameter of 1 nm to 100 nm and an aspect ratio of 10 to 100 is made of metal or A coating step of coating with ceramics, and an aluminum alloy matrix containing 0.01 to 0.5% by weight of Fe and 0.01 to 0.5% by weight of Si, with the balance being Al and inevitable impurities a semi-molten process to semi-molten state by heating the powder continuously stirring the semi-molten state aluminum alloy, wherein the coated carbon nanotubes, the content of the carbon nanotubes from 0.1 to 10 It was added such that the volume% characterized by comprising a composite step of compounding. Thus, a high-strength, high electrical conductivity aluminum alloy matrix composite can be produced by a semi-melt stirring and solidification method.
[0016]
Furthermore, in the method for producing a high-strength, high-electrical conductivity aluminum alloy matrix composite of the present invention, the surface of the carbon nanotube having a single-wall or multi-layer structure having a diameter of 1 nm to 100 nm and an aspect ratio of 10 to 100 is made of metal or A coating step of coating with ceramics, a preformed body forming step of pressurizing a predetermined amount of the coated carbon nanotubes to form a preformed body made of a porous body having innumerable communicating holes, and the preformed body , the molten contains 0.01 to 0.5% by weight of 0.01 to 0.5 wt% and Si to Fe, the balance being impregnated with an aluminum alloy of Al and inevitable impurities, the content of carbon nanotubes There characterized by comprising a composite step of compounding such that 0.1 to 10% by volume. Thus, a high-strength, high electrical conductivity aluminum alloy matrix composite can be produced by a molten metal pressure impregnation method.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
[0018]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an aluminum alloy matrix composite material according to an embodiment of the present invention.
[0019]
In the figure, in the aluminum alloy matrix 1 of the aluminum alloy matrix composite material of the present invention, carbon nanotubes 3 coated with a coating material 2 made of a material different from carbon and made of metal or ceramics are uniformly formed. Is distributed.
[0020]
By including the carbon nanotubes 3 in the aluminum alloy matrix 1, the strength can be drastically improved without significantly reducing the electrical conductivity with a small content of the carbon nanotubes 3 due to the ultrafine dispersion strengthening. In addition, what is contained in the aluminum alloy matrix 1 is not limited to the carbon nanotube 3, but may be fullerene, carbon nanohorn, or the like. Moreover, these carbon nanotube 3, fullerene, and carbon nanohorn may be mixed and contained.
[0021]
The size of the carbon nanotube 3 is appropriately set according to the required characteristics of the composite material within a range of a diameter of 1 nm to 100 nm and an aspect ratio of 10 to 100. By using the carbon nanotubes 3 having a diameter in the range of 1 nm to 100 nm, the carbon nanotubes 3 can be uniformly dispersed in the aluminum alloy matrix 1. It is difficult to manufacture carbon nanotubes 3 having a diameter of less than 1 nm and exceeding 100 nm. Further, when the aspect ratio of the carbon nanotube 3 is less than 10, a sufficient reinforcing effect cannot be exhibited, and when the aspect ratio exceeds 100, the yield is lowered, which is uneconomical. A more preferable range of the size of the carbon nanotube 3 is a diameter of 10 nm to 20 nm and an aspect ratio of 10 to 20. Also, industrially produced carbon nanotubes 3 with a diameter of several hundreds nm can be applied.
[0022]
The content of the carbon nanotubes 3 uniformly dispersed in the aluminum alloy matrix 1 is appropriately selected depending on the target electric conductivity and strength in the range of 1 to 10% by volume. If the content of the carbon nanotubes 3 is less than 0.1% by volume, a sufficient reinforcing effect cannot be exhibited, and even if the content exceeds 10% by volume, no further reinforcing effect can be obtained and the material cost increases.
[0023]
Moreover, the iron contained in the aluminum alloy matrix 1 is 0.01 to 0.5% by weight. Moreover, the silicon contained in the aluminum alloy matrix 1 is 0.01 to 0.5% by weight.
[0024]
This aluminum alloy matrix composite material is manufactured as follows, for example.
First, the coating material 2 that covers the carbon nanotubes 3 is selected, and a vapor deposition film of the selected coating material 2 is formed on the surface of the carbon nanotubes 3 by sputtering or electron beam evaporation. As the coating material 2 that coats the surface of the carbon nanotube 3, in consideration of the wettability with Fe, Si, other impurity elements contained in aluminum and aluminum alloy, and the degree of chemical reaction, For example, Al ₂ O ₃ , AlN, SiC, TiC and the like are suitable for ceramic materials such as Al, Si, Au, Ag, W, and Mo.
[0025]
Here, since the carbon nanotubes 3 are ultrafine, the surface of the carbon nanotubes 3 may be coated with an insulating material, which does not significantly reduce the electrical conductivity of the composite material. In the case of using an insulating material such as Al ₂ O ₃ as a coating material 2, carbon nanotubes contained is preferably 5 vol% or less, more preferably 3 vol% or less.
[0026]
Moreover, the thickness of the coating material 2 formed on the surface of the carbon nanotube 3 is appropriately set in the range of 1 nm to 100 nm according to the required characteristics of the composite material. If the thickness of the coating material 2 is less than 1 nm, it is difficult to produce, and a sufficient anti-reaction effect is exhibited in the range of 1 nm to 100 nm, so even if a film thicker than 100 nm is formed, it is uneconomical only by increasing the material and production cost. Is. A more preferable range of the thickness of the coating material 2 is 10 nm to 50 nm.
[0027]
The carbon nanotubes 3 coated with the coating material 2 thus obtained and the aluminum alloy powder to be the aluminum alloy matrix 1 are mixed at a predetermined ratio, and the carbon nanotubes 3 are uniformly dispersed in the aluminum alloy powder. For example, mixing is performed by stirring or the like. Then, the mixture is filled in a mold, pressurized and heated to fuse the carbon nanotubes 3 and the aluminum alloy powder together, and the composite material shown in FIG. 1 is obtained.
[0028]
Also, the coating material 2 made of a metal or ceramic material was coated while the aluminum alloy powder serving as the aluminum alloy matrix was heated to a semi-molten state and the aluminum alloy in the semi-molten state was continuously stirred. The composite material shown in FIG. 1 can also be obtained by adding a predetermined amount of carbon nanotubes 3 and making them composite.
[0029]
Further, a carbon nanotube 3 coated with a coating material 2 made of a metal or ceramic material is press-molded into a predetermined shape to form a porous molded body, and the aluminum molded matrix 1 and the porous molded body are formed on the porous molded body. The composite material shown in FIG. 1 can also be obtained by melting and impregnating the resulting aluminum alloy.
[0030]
The surface of the carbon nanotube 3 is preferably coated with the coating material 2. For example, when a composite material is formed using a powder metallurgical method, the surface of the carbon nanotube 3 is not coated with the coating material 2. It is also possible to constitute a composite material.
[0031]
Here, the carbon nanotube 3 may cause an interfacial reaction with Al at a high temperature, for example, the melting point of aluminum, the shape of the carbon nanotube 3 may be collapsed, and the effect of strengthening the ultrafine dispersion may not be sufficiently exhibited. However, in the present invention, for example, even when aluminum that has reached the melting point is used, the shape of the carbon nanotubes 3 is collapsed because a film is formed on the surface of the carbon nanotubes 3 in advance by a metal or ceramic material. There is no. Further, even when a film is not formed on the surface of the carbon nanotube 3, if the composite material is formed at a temperature lower than the melting point of aluminum, for example, a powder metallurgical method is used, the shape of the carbon nanotube 3 is collapsed. Never happen.
[0032]
【Example】
Next, specific examples of the present invention will be described.
[0033]
Example 1
A silver (Ag) vapor deposition film having a thickness of about 20 nm was formed on the surface of carbon nanotubes having a diameter of about 1 nm and an aspect ratio of about 20 by sputtering. Next, as shown in Table 1, iron (Fe) is 0.25 wt%, silicon (Si) is 0.25 wt%, copper (Cu) is 0.05 wt%, and manganese (Mn) is 0.00. Carbon nanotubes vapor-deposited on aluminum alloy powder having an average diameter of 100 nm and containing 05 wt% were mixed so that the carbon nanotube content was 3% by volume. Then, the mixed powder was stirred so that the carbon nanotubes were uniformly dispersed in the aluminum alloy powder.
[0034]
Subsequently, the mixed powder was filled in a mold and heated under pressure at a pressure of 500 MPa and a temperature of 723 K for 1 hour to form an ingot having a thickness of 30 mm, a width of 50 mm, and a length of 100 mm. Next, the molded ingot was rolled to a thickness of 10 mm to obtain a composite material of an aluminum alloy and a carbon nanotube forming a silver vapor deposition film on the surface as shown in FIG.
[0035]
As a result of measuring the tensile strength and electric conductivity of the obtained composite material, the tensile strength was 200 MPa and the electric conductivity was 60% IACS. Thus, an aluminum alloy matrix composite material having both high strength and high electrical conductivity could be obtained.
[0036]
[Table 1]

[0037]
(Example 2)
A silver deposited film having a thickness of about 20 nm was formed on the surface of carbon nanotubes having a diameter of about 1 nm and an aspect ratio of about 20 by sputtering. Next, as shown in Table 1, an aluminum alloy powder having an average diameter of 100 nm containing 0.25% by weight of iron, 0.30% by weight of silicon, 0.05% by weight of copper and 0.05% by weight of manganese The carbon nanotubes deposited with silver were mixed so that the carbon nanotube content was 10% by volume. Then, the mixed powder was stirred so that the carbon nanotubes were uniformly dispersed in the aluminum alloy powder.
[0038]
Subsequently, the mixed powder was filled in a mold and heated under pressure at a pressure of 500 MPa and a temperature of 723 K for 1 hour to form an ingot having a thickness of 30 mm, a width of 50 mm, and a length of 100 mm. Next, the molded ingot was rolled to a thickness of 10 mm to obtain a composite material of an aluminum alloy and a carbon nanotube forming a silver vapor deposition film on the surface as shown in FIG.
[0039]
As a result of measuring the tensile strength and electric conductivity of the obtained composite material, the tensile strength was 275 MPa, and the electric conductivity was 56% IACS. In this way, the strength can be significantly improved without greatly reducing the electrical conductivity.
[0040]
(Example 3)
An aluminum nitride (AlN) deposited film having a thickness of about 50 nm was formed on the surface of carbon nanotubes having a diameter of about 1 nm and an aspect ratio of about 20 by electron beam deposition. Next, carbon nanotubes deposited with aluminum nitride were uniformly dispersed and filled in a mold, and compression molded at a pressure of about 50 MPa to prepare a preform with a carbon nanotube content of 10% by volume.
[0041]
Subsequently, an aluminum alloy containing 0.50% by weight of iron, 0.50% by weight of silicon, 0.05% by weight of copper and 0.05% by weight of manganese shown in Table 1 was heated to 973K and melted. An aluminum alloy was poured into a mold in which a preform was previously inserted, and an ingot having a thickness of 30 mm, a width of 50 mm, and a length of 100 mm was formed at a pressure of about 50 MPa. Next, the molded ingot was rolled to a thickness of 10 mm to obtain a composite material of an aluminum alloy and a carbon nanotube forming an aluminum nitride vapor deposition film on the surface as shown in FIG.
[0042]
As a result of measuring the tensile strength and electric conductivity of the obtained composite material, the tensile strength was 260 MPa, and the electric conductivity was 52% IACS. In this way, the strength can be significantly improved without greatly reducing the electrical conductivity.
[0043]
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, as shown in Table 1, aluminum having an average diameter of 100 nm containing 0.25% by weight of iron, 0.30% by weight of silicon, 0.05% by weight of copper and 0.05% by weight of manganese. The alloy powder was filled in a mold and heated under pressure at a pressure of 500 MPa and a temperature of 723 K for 1 hour to form an ingot having a thickness of 30 mm, a width of 50 mm, and a length of 100 mm. Next, the molded ingot was rolled to a thickness of 10 mm to obtain an aluminum alloy. That is, this aluminum alloy corresponds to that formed in Example 2 without containing carbon nanotubes.
[0044]
As a result of measuring the tensile strength and electric conductivity of the obtained aluminum alloy, the electric conductivity was 62% IACS, but the tensile strength was as low as 120 MPa. In addition, the tensile strength of the composite material in Example 2 is twice or more the tensile strength of this aluminum alloy.
[0045]
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, as shown in Table 1, aluminum having an average diameter of 100 nm containing 0.25% by weight of iron, 0.25% by weight of silicon, 0.05% by weight of copper and 0.05% by weight of manganese. Silicon carbide (SiC) particles having an average particle diameter of 10 μm were mixed with the alloy powder so that the content of silicon carbide particles was 20% by volume. The mixed powder was stirred so that the silicon carbide particles were uniformly dispersed in the aluminum alloy powder.
[0046]
Subsequently, the mixed powder was filled in a mold and heated under pressure at a pressure of 500 MPa and a temperature of 723 K for 1 hour to form an ingot having a thickness of 30 mm, a width of 50 mm, and a length of 100 mm. Next, the molded ingot was rolled to a thickness of 10 mm to obtain a composite material of an aluminum alloy and silicon carbide particles.
[0047]
As a result of measuring the tensile strength and electric conductivity of the obtained aluminum alloy, the tensile strength was 135 MPa and the electric conductivity was 49% IACS. Thus, when the average particle size is 10 μm, sufficient dispersion strengthening cannot be exhibited, and the electrical conductivity decreases as the content of silicon carbide particles increases.
[0048]
【The invention's effect】
According to the high-strength and high-conductivity aluminum alloy matrix composite of the present invention and the method for producing the same, by containing carbon nanotubes in the aluminum alloy matrix, it has high strength and high electrical conductivity due to the ultrafine strengthening effect. An aluminum alloy matrix composite can be obtained. In addition, by using the high-strength, high-electrical conductivity aluminum alloy matrix composite material of the present invention for power transmission lines, lead wires, and heat exchangers, high electrical conductivity and high thermal conductivity can be maintained, and the material can be made thinner. Lightening and downsizing can be promoted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an aluminum alloy matrix composite material according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Aluminum alloy matrix 2 ... Coating material 3 ... Carbon nanotube

Claims

In an aluminum alloy matrix containing 0.01 to 0.5 wt% Fe and 0.01 to 0.5 wt% Si, the balance being Al and inevitable impurities , the diameter is 1 nm to 100 nm, and the aspect ratio is A high-strength, high electrical conductivity aluminum alloy-based composite material containing 0.1 to 10% by volume of carbon nanotubes having a single-layer or multi-layer structure of 10 to 100.

2. The high-strength and high-electricity conductive aluminum alloy matrix composite according to claim 1 , wherein the surface of the carbon nanotube is coated with a metal or ceramic .

3. The high-strength and high-conductivity aluminum alloy-based composite material according to claim 2, wherein the metal or the ceramic is coated or bonded to the surface of the carbon nanotube by a chemical method or a physical method .

An aluminum alloy matrix containing 0.01 to 0.5% by weight of Fe and 0.01 to 0.5% by weight of Si, with the balance being Al and unavoidable impurities, and a diameter of 1 to 100 nm And mixing the carbon nanotubes having a single-wall or multi-layer structure with an aspect ratio of 10 to 100 so that the content of the carbon nanotubes is 0.1 to 10% by volume, and mixing them uniformly. ,
A compounding step in which a mixture of the aluminum alloy powder and the carbon nanotubes is heated after being pressurized, or simultaneously pressurized and heated to be compounded;
A method for producing a high-strength, high-electricity-conducting aluminum alloy-based composite material, comprising:

A coating step of coating a surface of a carbon nanotube having a diameter of 1 nm to 100 nm and an aspect ratio of 10 to 100 with a metal or ceramic,
Semi-molten state by heating aluminum alloy powder containing 0.01 to 0.5 wt% Fe and 0.01 to 0.5 wt% Si, the balance being Al and inevitable impurities A semi-melting process,
A compounding step of adding and compounding the coated carbon nanotubes so that the content of the carbon nanotubes is 0.1 to 10% by volume while continuously stirring the aluminum alloy in the semi-molten state When
A method for producing a high-strength, high-electricity-conducting aluminum alloy-based composite material, comprising:

A coating step of coating a surface of a carbon nanotube having a diameter of 1 nm to 100 nm and an aspect ratio of 10 to 100 with a metal or ceramic,
Pressurizing a predetermined amount of the coated carbon nanotubes to form a preform formed of a porous body having innumerable communicating holes;
The preform is impregnated with molten aluminum containing 0.01 to 0.5% by weight of Fe and 0.01 to 0.5% by weight of Si, with the balance being Al and inevitable impurities aluminum alloy. A method for producing a high-strength, high-electricity-conducting aluminum alloy-based composite material comprising: a composite step of forming composites so that the nanotube content is 0.1 to 10% by volume .